小直径高耸塔器挠度控制分析

王素敏

[摘    要]小直径高耸塔器在我国化工生产中广泛应用，但在实际使用过程中往往会由于风力载荷、地震载荷等原因致使高耸塔器发生形变，这时候往往会导致塔顶产生较大的挠度。想要使小直径高耸塔器设计以及运用效果更加理想，应该注意对其载荷或者外界因素致使振动条件下的挠度进行分析，为今后小直径高耸塔器更好地响应外界作用力奠定坚实技术基础。基于此，对小直径高耸塔器挠度控制进行了分析。

[关键词]小直径高耸塔器;挠度;控制

[中图分类号]TQ053.5 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）03–00–02

[Abstract]For small diameter towering tower， it is often used in chemical production in China， but in the actual use process， it will often cause deformation due to wind load， earthquake load and other reasons， which will often lead to a large deflection of the tower top. In order to make the design and application of small diameter towering tower more ideal， attention should be paid to the analysis of the deflection under vibration conditions caused by its load or external factors. In order to lay a solid technical foundation for the future small diameter towering tower to better respond to external forces. Based on this， this paper attempts to analyze the deflection control of small diameter towering tower.

[Keywords]small diameter towering tower; deflection; control

从现阶段我国化工生产开展实际情况来看，所应用的很大一部分装置由于实际生产需要，將其设置为直径较小、高度较高的高耸塔器，此类塔器通常特点体现为塔身较为细长，并且设备对强风以及地震载荷所产生的挠度较大，因此对其挠度进行针对性控制是非常有必要的。目前，我国中所应用的塔器顶部挠度过大可能会对塔器自身产生多种影响，从而致使最终化工生产产品质量不合格的现象出现。因此，对小直径高耸塔器挠度控制进行针对性分析是非常有必要的。

1 小直径高耸塔器顶部挠度过大对塔器主体的影响

1.1 导致气液传质不均匀

在化工生产过程中应用小直径高耸塔器时，如果塔器顶部挠度过大，可能会导致原有的塔器工艺操作受到影响，使得工艺操作水平下降。同时，挠度过大还有可能导致塔盘倾斜的现象出现，从而导致塔器内部气液传质不均匀，这也会使塔板工作效率明显下降，从而影响最终产品质量。

1.2 导致接管泄漏

接管是连接各塔器的重要结构，如果被连接的塔器出现晃动过大的情况，很可能会导致接管与所连接塔体之间受到较大的拉力、压力，通过多种作用力的综合作用可能会导致连接处出现变形现象，进而致使接管连接泄漏情况出现，如果塔体内部装有易燃或者易爆介质，危险程度不堪设想。

1.3 增加现场检修人员操作风险

想要保证小直径高耸塔器正常操作以及安全使用，要定期安排检修人员进行现场检测维修，如果塔器顶部挠度较大，很可能会对现场检修人员人身安全产生一定威胁。

2 引起小直径高耸塔器挠度外载荷的因素

现阶段来看，板式塔器在我国化工生产中广泛应用，尤其在石油炼油等生产中的应用最为常见，是炼油生产过程中所需要的重要设备，通常情况下，塔器的高度与塔径之比很大，其塔体壁较薄，这也是导致其出现塔器顶挠度过大现象的根本原因。通常情况下，会在风力载荷等外载荷作用之下出现塔器顶部挠度过大的现象，这时候相关技术管理人员应该注意对塔器挠度进行限制。具体来说，引起高耸塔器挠度外载荷的因素主要包括以下几个方面：①可能会受到外弯矩的作用，从而致使塔器挠度外载荷出现，例如在塔顶悬挂重物等;②集中应力也可能导致外载荷出现，例如管道推力等;③还可能是均布载荷或者三角载荷，例如风载荷等。

3 小直径高耸塔器挠度控制方法

小直径高耸塔器在石油化工生产中的应用已经非常常见，属于重要生产装置，一般的塔式容器都需要按照塔式容器标准进行设计，也要对塔器各环节设定以及各种环境下操作可能性进行分析，尤其要充分考虑到多种作用到塔器的载荷，通过这种方式来使其截面水平应力得到保证，这样才能使高耸塔器在实际化工生产中发挥出应有效果。在对高耸塔器进行应用时，应该注意对塔器顶部的最大挠度进行计算，同时还要按照相关标准规定对最大塔器挠度进行控制。目前，我国化工生产中在对塔器挠度进行控制时，主要会应用到以下几种方法。

（1）增加塔体壁厚。对于小直径高耸塔器来说，其塔体壁厚情况势必会直接影响到塔器顶部的最大挠度值，因此对塔体壁厚进行调整是我国化工工程中非常常用的一种调整塔器挠度的方式。但是对于此种方式来说，往往存在一定缺点，主要表现为经济性较低，由于设备筒节的抗弯模量与壁厚存在较为密切的线性关系，因此一味加厚塔体壁厚对塔体抗弯性能的提升效果并不明显，往往需要较大的经济成本投入。同时，在外界风力以及地震的作用下，很可能会导致高耸塔器的挠度值发生变化，通常需要先对塔器下部筒节实际厚度需求情况进行精密计算，才能够确定最终的塔体厚度。

（2）增加塔器直径并且降低塔器总高度。对于这种方法来说，其优势体现在可以进一步增加塔体的固有频率，从而使其周期发生改变，通过这种方式能够有效避免塔体内部结构因为振动而发生变化，这种方法在我国也有较为广泛的应用。但是这种方法的应用效果往往取决于工艺以及设计参数情况，需要相关工程设计师自身具有较强的专业素质，同时还要在设计工作正式开始之前，对石油化工企业生产装置的整体运转情况有充分了解，对工艺条件进行确定，这样才能使塔器设计满足工艺要求，从而达到控制塔器挠度的效果。

（3）在塔体上设置导向支架。想要使小直径高耸塔器挠度值得到有效控制，在塔体上部设置导向支架不失为一种合理的方式，当高耸塔器被放置在框架中之后，相关操作人员应该注意在框架中设置一个或者几个导向支架，通过这种方式可以起到转变风向的效果，从而实现对风载荷的调整，将其通过支架传递到了框架上，这也使得风载不会对塔体产生直接影响，进而在很大程度上降低了因为风载而致使塔器顶部出现挠度的现象发生，有利于挠度控制工作的开展。同时，在塔体上部设置导向支架的另一个重要作用还体现在其使得风载以及地震载荷能够更为均匀地传递到框架结构上，不会对框架结构的某一支撑点产生较大的作用力，这也使得框架结构受损害的可能性极大降低。在保证了框架结构受作用力均匀的前提之下，也减轻了设备本体所受到的轴向力，使得设备在实际运转使用的过程中不会出现强烈震动的现象。

（4）在塔体周围焊接翅片。对于此种方式来说，我国石油化工生产中有相对广泛的应用，其主要是指在塔体上部焊接一些能够消除漩涡的翅片，通常以螺旋式或者轴向式为主，通过这种方式可以使风载荷明显减小，同时也减小了弯矩，使得挠度值降低。但是由于在石油化工生产过程中所应用的绝大多数塔器外部都有保温层，因此想要在塔器上部安装一定数量的翅片往往存在难度，需要对塔器上的吊耳、梯子以及支架管线等位置进行合理安排，通过这种方式来确定翅片的具体安装位置，这样才能使翅片的安装不会对塔器的原有外部结构产生影响，这也就致使翅片焊接安装复杂程度明显提升，需要克服多种外在因素才能够达到对塔器挠度进行有效控制的效果。

4 小直径高耸塔器挠度控制实践探索

以H市某石油化工生产项目为例，在实际展开生产操作时会利用到一台闪蒸塔，并且闪蒸塔的高度要远超过其直径，闪蒸塔的主要参数如表1所示。

4.1 小直径高耸塔器挠度控制方法

在对塔器常规计算方式进行应用时，应该注意保证其要求在标准范围之内，本次尝试对塔器的壁厚进行增加，由原来的26 mm增加至34 mm，裙座的厚度由原来的35 mm增加至42 mm，但是整体来看经济性较低;由于本案例闪蒸塔的保温层厚度较大，并且塔体侧面以及上部的附件较多，不适合安装旋转式或者轴向式翅片。

经过综合分析之后，考虑将闪蒸塔放置在框架结构之中，在塔器的上部增设导向支架，在对导向支架进行选择时，充分考虑到了装置的实际需求情况，保证了导向支架只允许塔体在轴向进行自由伸缩，这样使得导向支架的安装利用效果得到了充分体现，实现了对塔顶挠度的有效降低。同时也在很大程度上限制了塔器的摇摆幅度，使得风荷载以及地震荷载对塔器弯度以及挠度所产生的影响明显降低，也使得装置的整体受力明显改善。

4.2 理论计算

石油化工生产项目确定通过设置导向支架的方式来对塔器挠度进行控制之后，需要应用有限元的方式对塔体进行整体分析，从而根据塔体自身实际情况得到相应的计算结果，这对相关设计人员自身专业素质有很高的要求，每个设计人员最终所得到的计算结果存在一定差异性，需要对多個计算结果进行平均值获取，从而将得到的数据参数应用到导向支架设置中。在进行导向支架塔器计算操作时，会涉及到以下几个环节步骤：①要利用sw6软件进行计算，从最终计算结果中提取出风载荷以及地震载荷;②将计算模型转换为单元模型并且求出每个单元的截面弯矩;③按照已有的向心力计算书中规定来确定最终弯矩是否合格，如果数据不合格，应该注意对塔器厚度进行相应调整，再重新展开计算。

为了保证最终计算结果的准确性，需要应用有限元模型的方式来进行计算模型构建，具体实施方法体现为以下几个步骤：①要对塔器整体的计算模型有具体了解，并且要保证塔体每个截面、节点处都与有限元模型的实际展示相符合;②对塔器的计算进行规范，每段筒节的最高处风压应该设定为这一整段的均布风载荷，并且要对其顺风向水平风力、段长、均布载荷情况进行确定，从而保证其与有限元模型的各项要求相符合;③要针对塔器的裙座底部进行固定支架模型计算，通过这种方式来确定最终的位移束缚位置。

在进行风载荷以及地震载荷计算时，应该注意对其等效载荷进行确定，要按照塔器计算规范的要求来对每一筒节部分进行单独计算，要应用sw6软件在计算书中提取风载荷以及地震载荷相关参数，通过sw6软件的应用可以实现对风载荷水平推力值以及弯矩值的确定，同时还可以实现对各段地震载荷所带来的自振周期变化情况进行确定，这也使得最终理论计算结果的可参考性明显提升。

5 结束语

经过对石油化工生产中所应用的小直径高耸塔器挠度控制进行探索之后，可以看出，塔器挠度控制对化工生产工作的开展会产生重要影响。与此同时，塔器挠度控制工作的开展往往具有一定针对性，需要根据塔器自身实际条件情况来对风载荷以及地震载荷进行转化，这样才能使高耸塔器塔顶挠度得到有效控制，进而降低生产过程中的生产风险，这也保证了最终化工产品的品质以及相关操作人员人身安全。

参考文献

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